В ИГиНГТ проводится комплексное исследование осадков современных озер
Над проектами по комплексному изучению осадков современных озер под руководством проректора по научной деятельности КФУ, директора Института геологии и нефтегазовых технологий Даниса Нургалиева работают группы исследователей.
Сегодня все чаще говорят о климатических изменениях, происходящих на нашей планете, нас все больше волнуют изменения погоды и причины ее переменчивости. Уже всем известны такие термины как "глобальное потепление" и "таяние ледников". Однако еще больший интерес связан с нашим будущим, можем ли мы предсказывать, прогнозировать, моделировать климатические условия?
Согласно принципу актуализма "познание прошлого - ключ к познанию будущего", мы может для решения этих задач использовать большие объемы информации о прошлом климатических изменений. Наиболее просто и понятно – провести анализ данных, полученных прямыми наблюдениями в гидрометеорологических обсерваториях, распределенных на большей части суши и даже в океанах. Однако эти ряды очень короткие и охватывают в лучшем случае несколько десятков лет. Наблюдения за 100-200 лет имеются по очень ограниченному числу обсерваторий и не могут дать необходимую пространственную детальность. Большие временные интервалы (более 300 лет) могут быть охарактеризованы только косвенными данными, такими как исторические записи. Осадки современных морей и океанов являются значимыми палеоэкологическими архивами, хранящими информацию об изменениях климата, и различных событиях, происходящих в прошлом. В свою очередь, осадки современных озер с высокими скоростями накопления, позволяют получить более детальные палеоклиматические записи по сравнению с океаническими осадками. Основным фактором, определяющим осадконакопление в озерах, являются климатические условия, которые определяют гидрологический и гидрохимический режим водоемов, преобладающий характер осадконакопления и тип отложений. Разнообразие типов озер и многочисленные факторы, определяющие процессы осадконакопления в каждом из них, формируют индивидуальный качественный и количественный состав отложений конкретного озера. Изучение этих процессов в современных обстановках позволяет создавать палеореконструкции окружающей среды в геологическом прошлом, а на их основе моделировать поведение климата в будущем.
Рисунок 1. Изменения климата в Фанерозое [Veizer et al., 1999].
Успех изучения озерных осадочных объектов обеспечивается комплексным исследовательским подходом, позволяющим достигнуть более глубокого понимания связей и характера взаимодействия между литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой, находящих свое отражение в вещественном составе, свойствах и стратификации озерных осадочных отложений. Среди комплекса литохимических и палеобиологических методов, магнитно-минералогические исследования выступают как активно развивающийся диагностический комплекс для реконструктивных целей. При этом большую роль в составе озерных отложений играют биогенные магнитные минералы. Такие минералы производят магнитотактические бактерии (МТБ).
МТБ распространены в осадках пресных и морских водоемов, во влажных почвах. Живут бактерии придонно на границе ил – вода. Плавают при помощи жгутиков, которые расположены с одной или двух сторон тела. Для обеспечения процессов жизнедеятельности эти организмы приобрели специфическую способность передвигаться в пространстве, используя для навигации внешнее магнитном поле, а в качестве компаса - магнитные частицы. Такие частицы называют «магнитосомы» и находятся они в пузырьках, собранных в одну или несколько цепей – «магнитосомных нитей», расположенных в цитоплазме вдоль оси подвижности тела бактерии, для увеличения магнитного момента.
Впервые такие бактерии были отмечены Беллини в 1963 г., а в 1975 г. впервые описаны при наблюдении их миграции к северу в поле зрения микроскопа [Bellini, 1963; Blakemore, 1975].
Рисунок 2. Электронно-микроскопический снимок (ПЭМ) бактерий M. gryphiswaldense с цепями магнетитовых наночастиц [Fischer et al., 2008].
Обычно магнитотактические бактерии содержат порядка 10–20 упорядоченных магнитных частиц, однако, существуют бактерии, содержащие до 1000 магнитосом. Использование высокоточной электронной микроскопии позволило определить размеры и морфологию магнитных кристаллов: размеры большинства наблюдаемых частиц варьируют в очень небольшом диапазоне 35–120 нанометров. Однако встречаются и более крупные частицы, что некоторые ученые связывают с влиянием аридизации климата. Кристаллы бывают кубической формы, в виде параллелепипедов, в виде пули или наконечника стрелы.
Магнитосомы рассматриваются в качестве информативного палеоэкологического показателя в записях осадочных пород, являются важным носителем информации о происхождении геомагнитного поля и строении глубинных геосфер, об истории движения литосферных плит, инверсиях магнитного поля Земли. Другим важным направлением исследований является изучение процессов биоминерализации и генетики.
Прежде чем наблюдать остатки магнитотактических бактерий под микроскопом, необходимо их выделить из осадков. А это очень долгая и дорогая процедура. Поэтому нами в Институте геологии и нефтегазовых технологий созданы уникальные методики обнаружения древних магнитосом на основе специальных магнитных измерений образцов и обработки этих данных. Указанные измерения производятся на оригинальном приборе – коэрцитивном спектрометре (рис. 3), созданном в Казанском университете еще в 80-е годы прошлого века Ясоновым П.Г, Буровым Б.В., Нургалиевым Д.К.. Получаемые спектры (рис. 4а) дают информацию о магнитных зернах, содержащихся в осадках, при этом используют различные методики разложения коэрцитивных спектров на компоненты (рис. 4б, 5) [Kosareva et al., 2015; Fabian et al., 2016].
Рисунок 3. Общий вид коэрцитивного спектрометра J_meter.
Рисунок 4. а) Коэрцитивные спектры по намагничиванию образцов донных отложений оз. Хубсугул (с2-118, с6-180, с7-126, с18k-34, с29-206, с31k-106, с32-275). б) Пример разложения коэрцитивного спектра намагничивания (непрерывная линия) на компоненты (пунктирные линии). Озеро Хубсугул образец С21к-150 [Kosareva et al., 2015]. Здесь выделяются биогенная, детритовая и высококоэрцитивная магнитные компоненты. Биогенная магнитная компонента отражает содержание магнитосом в древних осадках.
Рисунок 5. Примеры разложения коэрцитивных спектров намагничивания на компоненты [Fabian et al., 2016]. Образцы оз. Хубсугул. В образце с глубины 2894 см выявлено значительное содержание биогенной компоненты (79%). В образце с глубины 1959, напротив, незначительное содержание биогенной магнитной компоненты (14%).
Таким образом, не разрушаю породу и не производя сепарацию магнитных частиц мы очень быстро можем получить информацию о наноразмерных магнетиках биологического происхождения в осадках – магнитосомах. Это новое направление в палеонтологии – магнитная нанопалеонтология. Оно создано и развивается сегодня в Казанском университете.
Сопоставление полученных результатов с данными комплексных исследований литологическими, геохимическими и палеобиологическими методами позволяют судить о возможности использования характеристик магнитосом, выявленных в процессе магнитных измерений образцов, как индикаторов изменения окружающей среды в далеком геологическом прошлом.
Над проектами работают ученые различных направлений: литолого-геохимические исследования проводят Нургалиева Н.Г., Косарева Л.Р., Баталин Г.А., Гареев Б.И., Широких Е.Б.; минералогические - Ескина Г.М.; магнитно-минералогические - Косарева Л.Р., Кузина Д.М., Антоненко В.В., Юсупова А.Р., Ясонов П.Г.; палеобиологические исследования – Фролова Л.А., Нигаматзянова Г.Р., Зиннатова Э.А; электронная микроскопия – Евтюгин В.Г., Воробьев В.В.; cейсмоакустические исследования - Крылов П.С., Ясонов П.Г.
Авторы предоставленного материала Косарева Л.Р., Нургалиев Д.К.
Литература
- Bellini S. Ulterioristudisui “batterimagnetosensibili” (Further studies on magnetosensitive bacteria) / Institute of Microbiology, University of Pavia, Italy,1963.
- Blakemore R.P. Magnetotactic bacteria / Science.- 1975.- 190.- Р. 377–379.
- Fabian K., Shcherbakov V.P., Kosareva L., Nourgaliev D. Physical interpretation of isothermal remanent magnetization endmembers: New insights into the environmental history of Lake Hovsgul, Mongolia / Geochemistry, Geophysics, Geosystems 2016. Vol. 17 (11). P. 4669-4683.
- Fischer H., Mastrogiacomo G., Löffler J. F., Warthmann R. J., Weidler P. G., Gehring A. U. Ferromagnetic resonance and magnetic characteristics of intact magnetosome chains in Magnetospirillum gryphiswaldense / Earth and Planetary Science Letters 270 (2008) 200–208.
- Kosareva L.R., Utemov E.V., Nurgaliev D.K., Shcherbakov V.P., Kosarev V.E., Yasonov P.G. Separation of Ferromagnetic Components by Analyzing the Hysteresis Loops of Remanent Magnetization Izvestiya / Physics of the Solid Earth.- 2015.- Vol. 51, No. 5.- Р. 689–708.
- Veizer, J., Ala, D., Azmy, K., Bruckschen, P., Buhl, D., Bruhn, F., Carden, G.A.F., Diener, A., Ebneth, S., Godderis, Y., Jasper, T., Korte, C., Pawellek, F., Podlaha, O. and Strauss, H. (1999) 87Sr/86Sr, d13C and d18O evolution of Phanerozoic seawater. Chemical Geology 161, 59-88.